转自：科创中国
《地外原位资源利用差距评估报告》是国际空间探索协调组（ISECG）定期更新的关于全球太空探索任务的汇总文件，旨在推动全球太空探索与原位资源利用（ISRU）的可持续性。首先，本文基于ISRU的总体目标与关键结构分解，总结了目前针对ISRU技术、试验测试设备以及星壤模拟物3方面开展的评估工作，并进行归类比较。其次，通过重点解析此报告的ISRU差距评估内容，依次对各参与国当前在原位资源勘查、原位资源采集和预处理、生产消耗品的资源加工、生产建造和制造原料的资源加工、月面原位建造、地外空间制造6大关键领域的技术研究重心与优势展开具体的分析。最后，提出了基于解析此报告对ISRU技术的多学科融合研究、高保真极端环境模拟平台建设以及结合深空探测需求推进高水平ISRU任务实施的展望。
近年来，随着人们对地外天体认识的逐步加深以及发展太空经济的需要，开发地外星体上的原位资源在太空探索任务中占据着越来越重要的地位。当前提倡的整合原位资源利用（ISRU）能力与系统有助于未来实现更经济与可持续的地外探索架构计划。将ISRU纳入地外探索任务最关键的影响在于节省发射成本，同时延长任务寿命。此外，通过利用原位资源，还可以降低对执行地外任务的关键要求。
在探究提高全球太空探索的可持续性背景下，国际空间探索协调组（ISECG）于2006年成立。作为一个由27个航空机构所组成的非强制性论坛，ISECG通过协商一致的方式增强各国合作以推进全球太空探索路线图。各成员机构旨在通过共同努力明确当前已确定的ISRU技术需求，汇总归纳未来必须解决的关键技术差距。同时，定期为ISECG提供《地外原位资源利用差距评估报告》（简称《差距评估报告》）。
本文概述了ISRU战略，重点介绍了其总体目标以及针对月球和火星探索的阶段性目标，并对其涵盖的3方面关键应用功能进行了解构。系统地梳理了《差距评估报告》中展示的各参与国当前针对ISRU技术、试验测试设备、星壤模拟物等已开展的研究工作。通过比较各成员国在6大ISRU领域及其分解结构下的技术研究水平，分析总结了各国目前在ISRU研究中的优势与侧重点。最终，提出了基于解析《差距评估报告》获得的展望，以期为未来的太空探索任务与地外建造工程提供具有借鉴价值的建议。
1、原位资源利用战略
原位资源利用战略的制定与实施是人类进行地外探索的一个重大突破，也是人类逐步开展深远太空探索的坚实基础。当前原位资源利用已被NASA列为载人深空探索优先发展的首项技术，也成为中国在载人深空探测领域中优先发展的选择之一。
1.1 原位资源利用总目标与阶段性目标
原位资源利用的总体目标为最大程度地减少往返月球与火星的费用，建立长期载人空间基地的自给自足以扩大地外科学与探索工作，实现空间活动的商业化发展。为最终在地外任务中成功地应用ISRU，在结合探月与探火的发展规划背景下，《差距评估报告》给出并分析了各阶段的ISRU目标。
载人月球探索架构划分为3阶段，依次是登陆月球、基地建设与拓展，以及位于月表或月球轨道的设施与航天器的持续性运行。第一阶段于2024年实行，ISRU目标为开展月球环境下更广泛更深入的资源勘查、设备运作分析等前期工作。同时，此阶段也将展开针对相关资源利用的技术和小型的月表操作示范任务。第二阶段为建立可持续的月球基地，通过进行基于ISRU的小规模生产任务，以验证基地是否具备可持续运营所必需的各要素的综合能力。第三阶段的ISRU目标着眼于月表的航天员活动与着陆器的重复使用，以及进一步地为火星任务提供推进剂与消耗品等。
报告中基于火星环境下ISRU系统的逐步建立确定了火星探测的4个规划发展阶段。在准备阶段中，ISRU目标旨在对火星表面地形与资源展开全面的勘测与信息收集，并依次部署相关的测试分析技术。第二阶段又名“踏上火星”阶段，对应多个短期探索与返回任务，将进一步监测火星环境，并开展小规模的资源提取与处理示范活动。之后的第三、四阶段与月球探索发展规划中的ISRU目标基本吻合。第三阶段旨在建立一个初步的居住基础设施，为后续的可持续性发展进行积累，而第四阶段的目标则是建立支持乘员活动的表面设备以及经过验证后的基础设施，为最终实现持续性存在提供保障。
1.2 原位资源利用关键功能分解
ISRU系统的开发与实施涉及广泛的技术、应用等，图1展示了ISRU的3大主要关键领域，分别为原位推进剂与消耗品生产、原位建造，以及基于ISRU衍生原料的空间制造。
针对原位推进剂与消耗品生产领域，根据产品交付流程可划分为原位资源勘查、资源采集与预处理、生产消耗品、生产建造和制造原料的资源加工4个子功能区。针对原位建造领域，主要分为场地评估规划与清理平整、地表压实与稳固，以及各个具体的建造过程（如增材制造）等。针对基于ISRU衍生原料的空间制造系统，其分类虽与原位建造系统类似，但关注的重点在于单一零件的生产、复杂硬件的组装、装置设备修理和维护等方面。
图1 原位资源利用（ISRU）3大领域与星体表面的联系2、针对原位资源利用的评估工作
为评估当前各国ISRU的发展状况以确定未来将在哪些方面深入开展研究工作，《差距评估报告》对过去、近期与未来计划开发的ISRU技术、模拟试验测试设备以及星壤模拟物进行了较全面的评估。
2.1 ISRU技术评估
技术评估的目的在于汇总各国家机构重点关注的技术领域，同时比较不同国家机构的技术优势与潜在特长，为未来技术系统的开发范围提供指导方向。目前，多数机构的ISRU技术开发重点在于针对原位资源的采矿与初加工，以此来获得任务所需产品。各机构已开展了不同程度的技术研究工作，其中，NASA与ESA在技术成熟度（TRL）与技术范围方面表现出明显优势。不仅具备多个成熟度高的装置，并且其已经研发的ISRU技术涉及的子功能区众多。
2.2 试验测试设备评估
开发具备高保真度的模拟月球极端环境，同时也可以容许硬件设施与月壤相互作用的试验测试设备至关重要。针对各机构目前已有的，或计划开发的试验设备，《差距评估报告》对其具备的环境模拟能力、可容纳的硬件尺寸展开了详细的评估。评估结果如表1所示，按照报告中划分的4类规模（组件级、子系统级、系统级与大型设备级）进行了汇总整理。总体而言，各个国家/机构目前都已开发多种组件与子系统级别的测试设施，满足模拟月尘与岩屑以及月球高真空与极端温差的条件。然而，系统级与大型设备级别的设施数量十分有限，且多数试验测试设备对于地外辐射以及光照条件的模拟能力仍较为欠缺。
表1 ISRU试验测试设备评估
2.3 星壤模拟物评估
《差距评估报告》对各机构现有的星壤模拟物的库存状况与未来计划开发的潜在可能性进行了全面的评估。评估结果如表2、表3所示，针对每个国家/机构的各类星壤模拟物的模拟类型、特征、当前的4类状态进行了汇总整理。鉴于多种模拟物现阶段已处于不可用或难再生产状态，未来将需要更多种类和更高保真度的模拟星壤。尤其是针对位于如月球极地和高地的月壤模拟物研发，以此来支持后续ISRU能力的开发。此外，与模拟月壤相比，目前模拟火壤的研发仅有NASA与ESA2个机构开展了较为系统工作，且当前的研究仍处于模拟某单一性质（如矿物组分）的初步探索阶段。
表2 模拟月壤评估
表3 模拟火壤评估3、原位资源利用差距评估解析
3.1 差距评估目标与分解结构
ISRU差距评估工作旨在明确已确定的技术需求以及未来必须解决的技术差距，以便按计划实施ISECG发布的全球探索路线图中的任务。ISECG评估了各关键ISRU领域的问题与需求，确定了各参与国的ISRU差距。报告的重点分析对象为月球任务中ISRU，仅对火星的潜在ISRU方案进行了简单评估。
差距评估组按照ISRU价值链中对应的原位资源勘查、挖掘、提取/提炼以及产品供应与应用的阶段分别进行了比较与评估。图2展示了报告中划分的ISRU差距评估6大分解领域。
图2 原位资源利用差距评估分解结构3.2 6大领域评估
3.2.1 原位资源勘查评估
为实现未来人类在月球与火星上的可持续的表面活动，需全面掌握各原位资源的分布、类型、储量等特征，从而为选址与开展后续的资源提取加工活动提供信息。因此，原位资源勘查在人类探索月球与火星的早期阶段具有重要意义，《差距评估报告》给出的差距评估结果如表4所示。
表4 原位资源勘查差距评估
目前，NASA、ESA、CSA等各航天机构对原位资源勘查均开展了较为全面的研究。KARI在场地/地形测绘方面开展的技术研究是其区别于其他机构的一大特点与优势。
3.2.2 原位资源采集和预处理评估
对于经勘察与定性分析后的原位资源，通常对其采取诸如提取、分选等一系列预处理操作，旨在为后续的资源加工做准备。针对原位资源，如月壤的采集和预处理过程是使得ISRU最终能产出产品的必要途径，也是ISRU评估流程中的关键一环。通常，原位资源采集和预处理的相关技术水平直接关系着下阶段生产原料的可获得性与品质，此领域的差距评估结果如表5所示。NASA与ESA对资源采集与预处理下的各分解结构的研究均有涉猎，但同时两者在有关火星气体资源的采集与运输两类技术上也各有侧重。其他参与机构仅针对个别技术层面开展了相应的研发工作。
表5 原位资源采集与预处理差距评估
3.2.3 生产消耗品的资源加工评估
消耗品通常被视为对执行未来载人登月计划影响最大的ISRU产品。通过ISRU技术生产推进剂、燃料、生命支持产品等消耗品可极大地节省地外任务的费用，并以此发展更加可持续性的地外系统。根据报告汇总得到各机构在生产消耗品的资源加工领域的差距评估结果如表6所示。当前仅有NASA对这一领域下的所有分解结构开展了研究与规划。区别于其他机构，NASA还特别关注了反应物与产物的分离处理以此来获得更高品质的ISRU产物。
表6 生产消耗品的资源加工差距评估
3.2.4 生产建造和制造原料的资源加工评估
在成功研发出更多样的高性能材料前，月壤是最合适的用于地外场景下的建造和制造原料。评估生产建造和制造原料的资源加工往往与后续的月面原位建造领域、空间制造领域密不可分。还可从月壤中提取多种金属、黏结剂等材料作为原料用于建造和制造过程，此领域的差距评估结果如表7所示。NASA和ESA已开展了月壤预处理、提取金属与生产塑料等原料的研究。其他参与机构中仅有DLR和KARI分别对自主操作加工与提取金属两方面进行了一定的技术尝试。
表7 生产建造和制造原料的资源加工差距评估
3.2.5 月面原位建造评估
根据载人月球探索架构可知，月面原位建造对于实现可持续的月球探索任务和发展月表基础设施均十分关键。在完成生产建造和制造原料的评估工作后即开展对于月面原位建造领域的评估，如表8所示。综合比较，NASA、ESA、CSA、DLR和KARI都已相应开展了月面原位建造相关的研究，而JAXA与CNES则完全未涉猎ISRU领域。其中，展现出最明显技术优势的是NASA与DLR2家航天机构，已具备成熟的建造材料、结构以及工艺技术，以NASA的月壤表面操作机器人（RASSOR，TRL6）和DLR的太阳能烧结系统（EU/H2020 RegoLight,TRL5）为代表。
表8 月面原位建造差距评估
3.2.6 地外空间制造评估
开展地外空间制造不仅能够最大限度地减少物流与备件存储量，还可大幅度降低地月往返运输过程中产生的风险。通常，月面原位建造和地外空间制造在技术、工艺、产品等方面的联系较为紧密。因此，针对ISRU的地外空间制造领域的评估内容与方法和月面原位建造领域类似，差距评估结果汇总于表9。地外空间制造领域目前还不是各参与机构针对ISRU研究的热点，多数机构仍处于探索如何制备用于空间制造材料的技术阶段。当前仅有NASA、ESA与DLR进行了空间制造流程中位于较后期的研究，如相关制造技术以及部件加工技术。在此之中，NASA的技术研究体系最为完整，已布局并实施了空间部件回收的技术研究。
表9 地外空间制造差距评估
4、总结与展望
4.1 总结
4.1.1 ISRU技术研究已成为空间科学与应用领域热点
以NASA为首的各参与国的研究机构目前均在进行或计划进行多种ISRU技术的开发工作，尤其是在原位资源勘查评估、设备可移动性与自主性，加工月壤等原位资源以提取氧气、金属等应用领域已获得多项技术性突破。
4.1.2 国外正在部署用于ISRU技术研究的模拟环境设施
由于月球的环境条件与地球大不相同，国外各机构已先后部署了多种组件级与子系统级别的用于ISRU技术研究的极端环境模拟设施，旨在模拟月球极端环境，如强辐射、高真空、大温差等。此外，还允许容纳月尘、月壤、岩石等与装备硬件相互作用以验证ISRU技术的可行性与有效性。
4.1.3 该协调组内各国针对ISRU技术研究的重心和路线不同
NASA与ESA在整体上对于ISRU价值链的研究较为系统、全面，尤其在原位资源采集与处理、资源加工、地外空间制造等领域，目前已具备多项相关且成熟度较高的ISRU技术与测试设备。此外，德国对于月面原位建造过程与技术的研究已形成一定体系，而加拿大则分别重点针对原位资源的表征与获取流程设计了不同的技术路线。
4.2 展望
4.2.1 进一步深入开展多学科融合的ISRU基础研究与技术攻关
未来还需进一步深入开展多个学科融合的ISRU相关研究，共同探索如何在外太空环境中有效地利用当地资源，不仅有助于大幅降低任务成本、减少对地球资源的依赖，还对逐步增强未来在地外建造中的竞争力与主动权具有重要意义。
4.2.2 进一步加强高保真极端环境模拟验证条件与平台建设
未来还应进一步加强高保真地外环境模拟平台的建设，特别是对于高低温、近真空、辐射、太阳能等极端条件的模拟能力的开发。通过高保真极端环境模拟测试与验证条件优化，不仅可以更清晰地了解ISRU过程中各类材料与结构在地外环境下的服役性能，还有助于利用原位资源提升月面活动的可持续性，为未来的基地建设与太空探索提供更多的技术支持。
4.2.3 进一步结合深空探测需求推进高水平ISRU任务实施
未来还应在结合深空探测需求的前提下，积极推进更多高水平ISRU任务的实施。通过细化各ISRU任务的时间表、资源需求、风险评估等因素，确保包括开展实地试验、验证技术可行性等在内的ISRU任务能够顺利进行。此外，ISRU任务所涉及的技术研究和应用需要多位相关方的共同努力，通过合作及分享经验、资源和技术，更好地推进高水平ISRU任务的实施，从而促进未来ISRU在地外建造领域中的发展，最终达到可持续性目标。
本文作者：周诚、程杉杉、高玉月、周燕
作者简介：周诚，华中科技大学国家数字建造技术创新中心，华中科技大学土木与水利工程学院，教授，研究方向为地外建造。
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